當藝術遇見化學: 化學在藝術品和文化遺產保護的應用 / 胡景瀚

星期日 , 5, 十一月 2017 Leave a comment

當藝術遇見化學:

化學在藝術品和文化遺產保護的應用

胡景瀚

國立彰化師範大學化學系
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chingkth@cc.ncue.edu.tw

n  在藝術品和文物上的菌膜

在藝術品和文化遺產的保護過程中,菌膜(biofilm)造成的傷害是相當難處理的。菌膜是微生物細胞的聚合體,在菌膜中的細胞會以化學訊息互相溝通,這種溝通過程稱為「群聚感應」(quorum sensing)。群聚的細菌對於抗菌藥劑(抗生素)的抵抗力是它們在分離浮游狀態的一千倍以上,因此菌膜對健康有許多危害,人體約八成的感染是由菌膜所造成的,例如:牙垢、尿道炎、造成肺炎的鏈球菌等皆是。我們在樹幹和石塊上也經常看到菌膜留下的斑駁痕跡,圖一是竹子上的菌膜。

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圖一:竹子上的菌膜

除了對健康造成的影響,在藝術品和文物上的菌膜也成為文物保護工作的一大難題。柬埔寨巴容廟的石雕佛像(見圖二)、位於義大利的世界文化古蹟「哈德良別墅」(見圖三)的石柱都受到菌膜的嚴重侵蝕。

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圖二:柬埔寨巴容廟

圖片來源:Das Lächeln von Angkor by Hans Stieglitz, https://goo.gl/4apXS2

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圖三:哈德良別墅

圖片來源:The Maritime Theatre by GNU Free Documentation License, https://goo.gl/99H8f1

n  化學方法清除菌膜

清除藝術品或古蹟上的菌膜遭遇到的困難,是我們不能用過度侵入性的方法,傷害了文物。苯扎氯銨(Benzalkonium chloride,見圖四)經常被用來消除藝術品和文物上的菌膜。苯扎氯銨是一種陽離子界面活性劑,可用於手術前消毒,也被應用於道路和泳池當作除藻劑。

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圖四:苯扎氯銨的結構式

苯扎氯銨去除菌膜的能力有限,若想增強去除菌膜的能力,我們須先了解群聚感應的機制,圖五是細菌形成菌膜的示意圖。圖中紅色的紅點代表細菌溝通分子(N-acyl homoserine lactone, AHL),AHL由細菌的一段稱為LuxI的基因所製造,另一段基因LuxR會利用AHLDNA中的Lux Box結合,並活化基因Lux CDABEG,這段基因會進行集體行為,如製造螢光分子(某些寄居在發光烏賊體內的細菌),或對宿主釋出毒性等等,也可能會製造更多的溝通分子。然而,細菌的AHL受體必須在足夠高AHL濃度時才能作用,受體會偵測環境中AHL的濃度,並在適當的濃度下啟動系列反應。

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圖五:細菌形成菌膜的示意圖

(圖片來源:Bacterial Quorum Sensing by Caroline Dahl, https://goo.gl/HU1xw2

有趣的是,各種細菌用來溝通的分子都有相似的結構(見圖六)。圖六中的分子1是一種革蘭氏陰性菌(綠膿桿菌群聚感應分子,23是其它革蘭氏陰性菌的群聚感應分子,我們可以看出這些分子的結構的相似性。紐約州立大學的Suga教授合成出分子4,並證明它具有抑制綠膿桿菌群聚的功能1從圖六中我們可以看到14極為相似,可能是後者取代了前者和受體的作用並干擾了後續的生化作用。

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圖六:各種細菌用來溝通的分子,1-3為革蘭氏陰性菌的群聚感應分子

一氧化氮(NO)是一個簡單的雙原子自由基分子,然而自二十世紀後期,NO與生物化學的重要關聯陸續被發現,它是生物體中的訊息傳導物質,對於代謝、免疫、血管擴張等生化功能都扮演了重要的角色,最早揭露其生化功能的科學家們也因而於1998年獲頒諾貝爾獎。

因為分散的菌膜容易被苯扎氯銨消滅有科學家因此想到利用NO先將菌膜驅散,降低其群聚程度後再施以苯扎氯銨消滅細菌。這個想法果然得到很好的結果,相關的研究仍在持續進行中。2,3

某些實驗室則合成了帶有NO的有機物自由基,並證實其亦具有非常好的驅散細菌的能力。澳洲墨爾本大學的Schiesser實驗室證實了先以非常低濃度50 mM)的5(見圖七),塗在菌膜上再加入0.001%苯扎氯銨可以有效地除去從木雕藝術品取下的菌膜(一般的古蹟處理程序使用2%苯扎氯銨)4

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圖七: 帶有NO的有機物自由基

NO及其相關化合物驅散細菌的機制,可能是這些分子干擾了圖五所示的某一個生化步驟,深入的了解前述作用的機制則有待科學家們更進一步的研究。

n  參考文獻

1.        Smith, K. M.; Bu, Y.; Suga, H. Chemistry & Biology 2003, 10, 81.

2.        Barraud, N.; Hassett, D. J.; Hwang, S. H.; Rice, S. A.; Kjelleberg, S.; Webb, J. S. J Bacteriol 2006, 188, 7344.

3.        Nablo, B. J.; Rothrock, A. R.; Schoenfisch, M. H. Biomaterials 2005, 26, 917.

4.        Alexander, S. A.; Rouse, E. M.; White, J. M.; Tse, N.; Kyi, C.; Schiesser, C. H. Chem Commun (Camb) 2015, 51, 3355.

 

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